Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Калужский филиал

Ладошин А.М. Яковлев В.М.

Расчет и проектирование центробежного компрессора ГТД

Калуга

Введение

Современный расчет компрессора состоит из ряда этапов:

• энергетический расчет, в результате которого определяются окружная скорость U₂ и диаметр D₂ рабочего колеса;

• расчет по средним параметрам, в результате которого определяются средние скорости, углы потока и т.д., а также основные геометрические размеры элементов компрессора;

• расчет по линиям тока и профилирование элементов компрессора.

Схематически центробежный компрессор состоит из входного устройства, рабочего колеса и выходной системы.

Входные устройства выполняются осевыми или радиально-круговыми, осесимметричными или с локальным подводом воздуха посредством улиток различного типа.

Входные устройства могут иметь неподвижный направляющий аппарат.

Рабочие колеса могут быть радиальными или реактивными (с загнутыми по вращению или против вращения лопатками на выходе), с разделенным или выполненном за одно целое вращающимся направляющим аппаратом.

Выходная система – это система диффузоров различного типа (подробно в […])

Представленная методика поясняется конкретным примером расчета ступени центробежного компрессора.

1. Методика расчета

Расчет параметров во входном и выходном сечениях рабочего колеса.

Исходными данными для расчета компрессора являются:

, - расход воздуха;

- степень повышения давления;

- кпд компрессора;

- лопаточный угол на выходе из рабочего колеса;

Вход – осевой или радиально-круговой;

, Па; , К – давление и температура атмосферного воздуха.

Предположим

= 1,6 ; = 4,3; = 0,78; = 65⁰; = 101300 Па; = 288К.

вход – радиально-круговой.

1. Адиабатная и действительные работы компрессора

2. Задаемся величиной согласно таблице 1.

Таблица 1.

и с учетом того, что

Внимание! Полученное значение коэффициента адиабатического напора является предварительным и подлежит уточнению в дальнейшем.

3. Окружная скорость на диаметре :

4. Задаемся и с помощью таблицы 2 определяем оптимальное значение параметра

Таблица 2

Величина зависит от типа входного устройства ( ):

- осевой вход;

- радиально круговой вход;

Значение тем больше, чем меньше осевая протяженность радиально кругового входного устройства.

При наличие неподвижного направляющего аппарата и прочих равных условиях величину можно уменьшить на в пределах обозначенного диапазона.

При достаточно большой окружной скорости необходимо ввести предварительную закрутку на входе.

При

5. Площадь входного сечения рабочего колеса:

- коэффициент, учитывающий загромождение пограничным слоем и зависит от типа входного устройства и расхода воздуха.

- для осевого входного устройства;

- для радиально-кругового.

Для нахождения необходимо определить закон закрутки по высоте лопатки перед колесом.

Возможны следующие законы:

- если , то

- если , то

- если , то (**)

;

При выборе величины относительного диаметра втулки следует руководствоваться конструктивными соображениями, ориентируясь на . Задаемся законом закрутки и , тогда

Критическая скорость

По таблице газодинамических функций

- коэффициент восстановления полного давления во входном устройстве.

- осевой вход без неподвижного направляющего аппарата (ННА) ;

- осевой вход с ННА ;

- радиально-круговой вход без ННА ;

- радиально-круговой вход с ННА перед колесом ;

- радиально-круговой вход с ННА в радиальной части ;

Задаваясь и , получим

6. Периферийный диаметр колеса на входе:

7. Максимальный диаметр колеса:

8. Диаметр втулки колеса на входе:

Если полученный диаметр втулки мал, то следует задаться такой величиной , чтобы получился не менее 0,06м.

В этом случае:

Анализ формулы (**) показывает, что для при изменении в диапазоне величины и соответственно изменяются не более чем на 0,4, поэтому пересчет можно не делать.

9. Частота вращения

10. Параметры потока на входе в колесо:

Таким образом, значение угла получилось равным . Однако, значение углов , представленные в таблице 2, являются ориентировочными, т.к. достоверных данных по отношению коэффициентов потерь , от которого в основном зависит величина , нет.

В выполненных конструкциях величина угла находится в пределах 30-40^о.

При оценке допустимых величин необходимо руководствоваться следующими соображениями:

- до значений кпд колеса слабо зависит от и составляет около 0,91

- при резко падает

Если нет особых требований по производительности компрессора или жестких ограничений по его габаритам, то . В противном случае можно допустить существенно большие значения (до ). Однако следует иметь в виду значительное снижение кпд компрессора и диапазона его характеристики по расходу воздуха, что приведет к еще большему снижению кпд в расчетной точке. Для снижения необходимо уменьшить величину угла и повторить расчеты с п.4.

Для рассматриваемого примера считаем полученное значение приемлемым. По таблицам газодинамических функций определяем:

11. Параметры потока на выходе из колеса

Кпд колеса в зависимости от определяется по рис. 1.

Рис. 1. Зависимость от относительной скорости в относительном движении (При ). При .

Так как расход воздуха , то принимаем .

Экспериментальные исследования показывают, что кпд ступени центробежного компрессора зависит от степени диффузорности колеса (или ), увеличение которой связано как с ростом дисковых потерь, так и с ухудшением поля скоростей на выходе из колеса, что ухудшает работу радиального лопаточного диффузора. В связи с этим рекомендуется принимать

(или )

Величина должна быть тем больше, чем выше окружная скорость.

При малых расходах воздуха ( ) величину необходимо снижать для получения приемлемой величины высоты лопатки на выходе из колеса h₂. В практике двигателестроения значение h₂ менее 0,005м не встречается.

Задаем .

Число лопаток Z=23. (опыт показывает, что при можно путем фрезерования выполнить до 24 лопаток).

Определяем коэффициент мощности по формуле Казанджана:

где

По таблице газодинамических функций

12. Уточнение величины коэффициента адиабатического напора .

Определяем коэффициент дисковых потерь.

Безразмерный коэффициент есть функция числа Рейнольдса, учитывающий одновременно потери мощности от перетеканий […].

- для полузакрытых колец;

- для закрытых колец;

- для колец с двухсторонним входом;

Так как уточненное значение отличается от принятого ранее больше, чем на 0,005 необходимо повторить расчет с п.3, приняв полученное значение как окончательное.

13. Окончательный расчет параметров потока на входе и геометрических параметров входного сечения рабочего колеса.

Значение принимаем полученным в п.10.

Совпадение и полученного хорошее.

14. Окончательный расчет параметров потока на выходе и геометрических параметров выходного сечения рабочего колеса.

В виду незначительного изменения и соответственно , величины остаются теми же.

Величина не пересчитывается.

Величины , и можно не уточнять.

По таблицам газодинамических функций

- коэффициент, учитывающий загромождение выходного сечения поперечным слоем, по результатов экспериментов изменения в пределах . Большая величина соответствует меньшим расходам воздуха.

- коэффициент, учитывающий… выходного сечения лопатками.

- число лопаток колеса.

- толщина лопатки на выходе из колеса.

Для выполненных компрессоров с расходом воздуха и Для литых колес закрытого типа, у которых выходные кромки не удается механически обработать , у колес с .

Так как, проектируемый компрессор малорасходный и колесо предполагается сделать полуоткрытым с механической обработкой лопаток, принимаем

Высота лопатки на выходе получилась удовлетворительной (h₂>0,005 м). Если потребуется увеличить h₂, следует уменьшить величину в пределах рекомендованного в п.11 диапазона и повторить расчет с момента уточнения (п.12)